जल विखंडन के लिए इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट के रूप में त्रि-आयामी निकेल फोम सामग्री पर नैनोसंरचित सामग्रियों का उपयोग

जीवाश्म ईंधनों की कमी तथा ऊर्जा एवं पर्यावरण संबंधी मुद्दों के बारे में बढ़ती चिंताओं के कारण वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों के विकास के लिए व्यापक शोध प्रयास किए गए हैं।विद्युत रासायनिक इलेक्ट्रोलिसिसहाइड्रोजन ईंधन उत्पादन के लिए पानी का उपयोग एक आशाजनक रणनीति माना जाता है। हालांकि, कुशल जल क्रैकिंग के लिए कुशल और टिकाऊ इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट की आवश्यकता होती है जो ऑक्सीजन-निष्कर्षण प्रतिक्रिया (ओईआर) और हाइड्रोजन-निष्कर्षण प्रतिक्रिया (एचईआर) की गतिकी को तेज कर सकते हैं। नोबलधातु-युक्त उत्प्रेरक, जैसे कि Pt और इसके मिश्रधातु, RuO2 और IrO2, वर्तमान में OER और HER को उत्प्रेरित करने के लिए सबसे कुशल उत्प्रेरक हैं। हालांकि, महान धातुओं की उच्च लागत और कमी ने उनके बड़े पैमाने पर अनुप्रयोग और अक्षय ऊर्जा प्रौद्योगिकियों के विकास में बाधा डाली है। इन सीमाओं को दूर करने के लिए, OER और OERHER के किफायती विकल्प के रूप में पृथ्वी-प्रचुर मात्रा में सामग्रियों का उपयोग करके गैर-कीमती धातु इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट को डिजाइन और संश्लेषित करने के लिए काफी प्रयास किए गए हैं। संक्रमण धातु ऑक्साइड, सल्फाइड, फॉस्फाइड, कार्बन सामग्री, सेलेनाइड और मिश्रित-धातु परिसरों का बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है और उन्होंने OER और HER के लिए आशाजनक प्रदर्शन दिखाया है। हालांकि, इनमें से अधिकांश इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट को महान धातु-आधारित उत्प्रेरक की तुलना में उच्च ओवरपोटेंशियल की आवश्यकता होती है

विद्युत-रासायनिक अनुप्रयोगों के क्षेत्र मेंइलेक्ट्रोड तैयार करने के लिए दो मुख्य रणनीतियों का उपयोग किया गया है। पहली और सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली तकनीक में पाउडर के रूप में उत्प्रेरक का उपयोग शामिल है। आम तौर पर, इलेक्ट्रोड का निर्माण विद्युत सक्रिय सामग्रियों, चालकता बढ़ाने वाले पदार्थों और चालक सब्सट्रेट पर चिपकने वाले पदार्थों के घोल का उपयोग करके किया जाता है। हालाँकि, यह दृष्टिकोण कमियों के बिना नहीं है। मुख्य नुकसान विद्युत रूप से इन्सुलेटिंग बाइंडर की आवश्यकता है, जो इलेक्ट्रोलाइट और उत्प्रेरक के बीच संपर्क क्षेत्र को कम करता है। इससे उत्प्रेरक रूप से सक्रिय साइटों को अवरुद्ध किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च प्रतिरोध और कम इलेक्ट्रोकैटलिटिक प्रदर्शन होता है। इसके अलावा, इलेक्ट्रोड अपेक्षाकृत अस्थिर होते हैं, क्योंकि संलग्न उत्प्रेरक उच्च वर्तमान घनत्व पर चालक सब्सट्रेट से अलग हो जाता है। इलेक्ट्रोड तैयार करने की दूसरी मुख्य रणनीति महान धातु-आधारित सामग्रियों का उपयोग है जो सीधे चालक सब्सट्रेट पर इलेक्ट्रोडपोसिट किए जाते हैं, जैसे निकलफोम, कॉपर फ़ॉइल, कार्बन क्लॉथ या पेपर, FTO, स्टेनलेस स्टील और निकल फ़ॉइल। हालाँकि, यह दृष्टिकोण अपनी सीमाओं के बिना नहीं है। जमा सक्रिय सामग्रियों के बीच सुलभ स्थान को ठीक से नियंत्रित करना मुश्किल है और इसलिए, सब्सट्रेट की अंदर उत्प्रेरक रूप से सक्रिय साइटों तक पहुंच की अक्षमता के कारण फिल्म की मोटाई बढ़ने के साथ इलेक्ट्रोड का प्रदर्शन कम हो जाता है। इसके अलावा, विधि की जटिलता और उच्च लागत इसके व्यावहारिक अनुप्रयोग में बहुत बाधा डालती है। इसलिए, लागत प्रभावी निर्माण तकनीकों का विकासत्रि-आयामी (3D) इलेक्ट्रोडसफल विद्युत-रासायनिक अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है।

छिद्रपूर्ण संरचनाओं और उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्रों के साथ नई त्रि-आयामी धातु सामग्री के विकास ने आयन प्रसार लंबाई को कम करने और आयनिक और इलेक्ट्रॉनिक चालकता को बढ़ाने की उनकी क्षमता के कारण काफी ध्यान आकर्षित किया है। इसलिए, इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट डिज़ाइन के लिए एक आशाजनक दिशा विभिन्न संरचनात्मक आयामों को संयोजित करना है ताकि उत्प्रेरक वाहकों का एक नैनोस्ट्रक्चर्ड कंपोजिट बनाया जा सके जो उच्च चालकता, बड़ा सतह क्षेत्र और उच्च स्थिरता प्रदान करता है।निकल फोम(एनएफ), एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध और सस्ती सामग्री, अपने वांछनीय त्रि-आयामी खुले-छिद्र संरचना, उच्च विद्युत चालकता और बड़े विशिष्ट सतह क्षेत्र के कारण इलेक्ट्रोड सामग्री के लिए सब्सट्रेट और वाहक के रूप में व्यापक रूप से उपयोग की जाती है। एनएफ के भीतर माइक्रोपोर और दांतेदार प्रवाह चैनल भी अच्छा द्रव्यमान हस्तांतरण और प्रति इकाई क्षेत्र में बड़ा सतह क्षेत्र प्रदान करते हैं। विभिन्न धातु फोम, जाल, पन्नी और कपड़े सहित विभिन्न सब्सट्रेट्स को लिथियम-आयन बैटरी, सुपरकैपेसिटर, सौर सेल और जल विभाजन जैसे विद्युत रासायनिक अनुप्रयोगों के लिए कलेक्टर के रूप में खोजा गया है। विशेष रूप से, छिद्रपूर्ण एनएफ ने अपनी कम लागत, विद्युत चालकता और बड़े इलेक्ट्रोएक्टिव सतह क्षेत्र के कारण ध्यान आकर्षित किया है, जो उत्प्रेरक लोड करने और विद्युत रासायनिक सक्रिय साइटों को बढ़ाने के लिए आदर्श है। इसके अलावा, छिद्रपूर्ण एनएफ में इलेक्ट्रोलाइट्स के द्रव्यमान परिवहन को बढ़ाने में लाभ हैं, जो उन्हें ऊर्जा अनुप्रयोगों में उच्च सतह क्षेत्र वर्तमान कलेक्टरों के लिए उपयुक्त उम्मीदवार बनाता है। निकल फोम पर सक्रिय सामग्रियों की प्रत्यक्ष वृद्धि जल दरार प्रतिक्रियाओं में कुशल इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के लिए उत्प्रेरक-सब्सट्रेट संपर्क को भी बढ़ाती है। जबकि सुपरकैपेसिटर और बैटरी इलेक्ट्रोड एनएफ के लिए मुख्य अनुप्रयोग बने हुए हैं, हाल के अध्ययनों से पता चला है कि इस सामग्री पर जमा इलेक्ट्रोड सामग्री में नी फॉइल और जाल की तुलना में बेहतर ओईआर गतिविधि है। इन सामग्रियों को या तो उनके प्राकृतिक रूप में या सक्रिय सामग्रियों से सजाया जा सकता है, और फोम का उपयोग कलेक्टर और सहायक सब्सट्रेट दोनों के रूप में किया जा सकता है। इस प्रकार, एनएफ सब्सट्रेट पर एक नैनोस्ट्रक्चर्ड, पृथ्वी-समृद्ध उत्प्रेरक सामग्री का विकास ऊर्जा भंडारण/रूपांतरण उपकरणों के लिए उन्नत इलेक्ट्रोड सामग्री के विकास के लिए वादा करता है। हालाँकि निकेल फोम पर सीधे उगाए जाने वाले पृथ्वी-समृद्ध इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट आमतौर पर उपलब्ध हैं, ओईआर और एचईआर के लिए निकेल फोम पर तीन-आयामी इलेक्ट्रोड की व्यापक रूप से जांच नहीं की गई है, हालाँकि वे छिद्रपूर्ण पदानुक्रमित संरचनाएँ हैं जो कम लागत वाली और बनाने में आसान हैं।